從浙江大學(xué)獲悉，近日，長(zhǎng)期從事膜科學(xué)研究的浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院張林教授團(tuán)隊(duì)把圖靈結(jié)構(gòu)與膜研究結(jié)合起來(lái)，次在薄膜上制造出了納米尺度的圖靈結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)首次面向應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)建圖靈結(jié)構(gòu)的研究成果，于北京時(shí)間5月4日發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)》上。

斑馬的黑白條紋、海螺的旋轉(zhuǎn)螺紋、植物莖葉的回旋卷曲……大自然中這些規(guī)則重復(fù)的圖案是怎么形成的，一直是個(gè)令人好奇的問(wèn)題。早在60多年前，英國(guó)科學(xué)家圖靈就預(yù)測(cè)：某些重復(fù)的自然斑圖可能是由兩種特定物質(zhì)(分子、細(xì)胞等)相互反應(yīng)或作用產(chǎn)生的。通過(guò)一個(gè)被他稱為“反應(yīng)-擴(kuò)散”的過(guò)程，這兩種組分將會(huì)自發(fā)地自組織成斑紋、條紋、環(huán)紋、螺旋或是斑駁的斑點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。后來(lái)的科學(xué)家證實(shí)了這個(gè)猜想，并將這類結(jié)構(gòu)稱為“圖靈結(jié)構(gòu)”。

界面聚合制備超薄分離膜技術(shù)從上個(gè)世紀(jì)80年代問(wèn)世沿用至今，已經(jīng)相當(dāng)成熟，但同是界面聚合制備的納濾膜和反滲透膜雖然制備工藝和反應(yīng)機(jī)理完全一致，但兩者的表面結(jié)構(gòu)卻差異很大：納濾膜表面光滑，而反滲透膜表面呈峰谷結(jié)構(gòu)，較為粗糙。張林團(tuán)隊(duì)進(jìn)行深入研究。在深究差異原因時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)界面聚合過(guò)程屬于典型的“反應(yīng)-擴(kuò)散”體系。

圖靈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的必要條件，就是兩個(gè)反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)之差要達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。研究團(tuán)隊(duì)想要尋找到一種方法改變反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)差異，使其能滿足這個(gè)條件。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和討論，研究團(tuán)隊(duì)提出在擴(kuò)散系數(shù)小的反應(yīng)物水溶液中加入阻礙反應(yīng)物擴(kuò)散的親水大分子，這項(xiàng)工作就好比是拉住其中擴(kuò)散慢的反應(yīng)物的“大腿”，讓它跑得更慢一點(diǎn)。在大量的實(shí)驗(yàn)中，科研人員嘗試添加各種親水大分子，使溶于水的反應(yīng)物向油中擴(kuò)散的速率降下來(lái)，并在水與油的接觸面上，與油中的反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)形成具有周期性變化的圖靈結(jié)構(gòu)的新型納濾膜。

在長(zhǎng)時(shí)間的不斷試驗(yàn)后，科研人員發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇作為抑制反應(yīng)物擴(kuò)散的親水大分子的效果好。

有了聚乙烯醇對(duì)反應(yīng)物擴(kuò)散的“阻礙”作用，原本平整光滑的膜表面真的就“長(zhǎng)”出了圖靈結(jié)構(gòu)。這些只有20-30納米致密的、具有周期性規(guī)律的圖靈結(jié)構(gòu)，有的呈管狀，有的呈泡狀，在膜表面為膜提供了可以讓更多水透過(guò)的位點(diǎn)，進(jìn)而增強(qiáng)了膜的透水性能。

如果通過(guò)電子顯微鏡觀察，這些圖靈結(jié)構(gòu)，仿佛是一個(gè)個(gè)半圓形的帳篷密密麻麻地覆在膜的表面。這些“撐開(kāi)”的鼓鼓囊囊的“帳篷型結(jié)構(gòu)”中間有很多空隙，減少了水透過(guò)的阻力，使得膜的分離性能比傳統(tǒng)制備方法制備的膜提高了3至4倍。也就是說(shuō)，透過(guò)膜的水比原先要多出3至4倍，大大降低了膜過(guò)程的產(chǎn)水成本，提高了分離效率。

納濾膜的界面聚合制備，往往只需要不到一分鐘的時(shí)間就完成了，而加入親水大分子后擴(kuò)散速率的變化傳統(tǒng)的測(cè)試方法幾乎失靈。終科研人員通過(guò)核磁共振進(jìn)行表征，測(cè)定了加入親水高分子后兩個(gè)反應(yīng)物擴(kuò)散速率差，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)確實(shí)成功制備了一種具有圖靈結(jié)構(gòu)的新型分離膜。

對(duì)于這項(xiàng)研究，三位論文評(píng)審專家都給出了很高的評(píng)價(jià)。其中一位評(píng)審專家認(rèn)為，這是一種非常有趣的新型脫鹽薄膜，“據(jù)我所知，這是首次嘗試在薄膜上制造納米尺度圖靈結(jié)構(gòu)的報(bào)道”。